Ultrafast pulse metrology

Blöchl, Johannes (2025): Ultrafast pulse metrology. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The investigation of ultrafast light-matter interaction requires precise control and metrology of ultrashort laser pulses, experimental setups, and related parameters. Connected with recent developments in attosecond physics, new requirements arise for laser technology, its characteri- zation, and the necessary experimental methods. These requirements are driven, for example, by the scaling of the energies of high-harmonics toward the so-called water window – the Energy range between the carbon and oxygen K-edges (284 to 543 electron volts) – or by the develop- ment of petahertz electronics. In addition, new perspectives for the investigation of elementary processes open up. In the context of this work, the underlying physical and experimental aspects of modern attosecond physics are examined in more detail. Starting with a measurement method based on petahertz electronics to determine the carrier-envelope phase (CEP) in a single-shot experiment, it is demonstrated that a robust and versatile measurement method can be achieved with a simple experimental setup. This method takes advantage of elementary electron dynamics in gas and plasma and is distinguished by its applicability across various wavelengths. Furthermore, by utilizing solitonic propagation dynamics in waveguides, it is demonstrated that laser pulses in the short-wave infrared range can be simultaneously spectrally broadened and temporally compressed. This approach circumvents complicated light-field synthesis, as well as the need for dispersive optics and the associated limitations. Attention is given to the stability of output power and the CEP, along with the resulting waveform stability. Temporal characterization reveals a waveform with a duration of a single optical cycle, consisting of spectral components spanning two optical octaves. This bandwidth enables the control of sub-cycle electron dynamics, which manifests as a spectral effect in the field-resolved measurement method. Measuring this effect allows for in-situ CEP calibration. The demonstrated spectral broadening sets new standards in the generation of high-intense ultrashort pulses, particularly regarding the achieved peak power of 0.26 terawatts, high average power, and excellent stability. Such systems are particularly well-suited for generating high-energy high-harmonics. The high average power allows for an increased interaction volume to compensate for the poor con- version efficiency. However, this results in a higher thermal load on the experimental setup and on the filters, necessitating new approaches to withstand it. At the same time, precise stabilization of the temporal delay line is essential to ensure high temporal resolution in experiments. Therefore, a method has been developed that allows for the filtering of the driving laser and the generated harmonics while also stabilizing the temporal delay between two pulses in an interfer- ometer. It is ultimately demonstrated that this method can withstand high average power and achieve a stable interferometer throughout the duration of typical measurement campaigns.

Abstract

Die Untersuchung ultraschneller Licht-Materie-Wechselwirkung erfordert präzise Kontrolle und Metrologie ultrakurzer Laserpulse, experimenteller Aufbauten und zugehöriger Parameter. Verbunden mit jüngsten Entwicklungen in der Attosekundenphysik entstehen neue Anforderungen an die Lasertechnologie, deren Charakterisierung, aber auch an die erforderlichen experimentellen Methoden. Diese Anforderungen werden beispielsweise von der Skalierung der Energien hoher Harmonischer hin zum sogenannten Wasserfenster – dem Energiebereich zwischen den Kohlenstoff und Sauerstoff K-Kanten (284 bis 543 Elektronenvolt) – oder von der Entwicklung von Petahertzelektronik angetrieben. Darüber hinaus eröffnen sich neue Perspektiven für die Untersuchung elementarer Prozesse. Im Rahmen dieser Arbeit werden die zugrundeliegenden physikalischen und experimentellen Aspekte moderner Attosekundenphysik genauer untersucht. Beginnend mit einer auf Petahertzelektronik basierenden Messmethode zur Bestimmung der Träger-Einhüllenden-Phase (CEP) im Einzelschussexperiment wird gezeigt, dass mit einem einfachen experimentellen Aufbau und dem Ausnutzen elementarer Elektronendynamik in Gas und Plasma eine robuste und vielseitige Messmethode erzielt werden kann, die durch ihre Einsetzbarkeit bei verschiedenen Wellenlängen überzeugt. Des Weiteren wird unter Ausnutzung von solitonischer Propagationsdynamik in Wellenleitern gezeigt, dass sich Laserpulse im kurzwelligen Infrarotbereich simultan spektral verbreitern und zeitlich komprimieren lassen. Damit werden die komplizierte Lichtfeldsynthese sowie die Notwendigkeit dispersiver Optiken und die damit verbundenen Einschränkungen umgangen. Hierbei liegt ein Augenmerk auf der Stabilität von Ausgangsleistung und CEP und der damit einhergehenden Wellenformstabilität. Die zeitliche Charakterisierung zeigt eine Wellenform von der Dauer eines einzelnen optischen Zyklus, bestehend aus Spektralkomponenten zweier optischer Oktaven. Diese Bandbreite ermöglicht es, Subzyklen-Elektronendynamik zu kontrollieren, was sich als spektraler Effekt in der feldaufgelösten Messmethode äußert. Die Vermessung dieses Effekts erlaubt eine in-situ CEP Kalibrierung. Die demonstrierte spektrale Verbreiterung setzt dabei neue Maßstäbe in der Erzeugung hochintensiver ultrakurzer Pulse, besonders hinsichtlich der erzielten Spitzenleistung von 0,26 Terawatt, der hohen mittleren Leistung und der ausgezeichneten Stabilität. Solche Systeme eignen sich hervorragend zur Erzeugung hoher Harmonischer mit hohen Energien. Durch die hohe mittlere Leistung kann das Interaktionsvolumen gesteigert werden, um die schlechte Konversionseffizienz zu kompensieren. Die dadurch entstehende höhere thermische Belastung des experimentellen Aufbaus und der Filter erfordert neue Wege, dieser standzuhalten. Gleichzeitig ist eine präzise Stabilisierung der zeitlichen Verfahrstufe vonnöten, um die hohe zeitliche Auflösung in Experimenten zu gewährleisten. Daher wurde eine Methode entwickelt, die sowohl die Filterung von treibendem Laser und erzeugten Harmonischen erlaubt als auch der Stabilisierung des zeitlichen Versatzes zweier Pulse eines Interferometers dient. Es wird abschließend demonstriert, dass damit zum einen der hohen mittleren Leistung standgehalten wird, zum anderen aber auch ein stabiles Interferometer über die Dauer typischer Messkampagnen erzielt werden kann.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 11. November 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Kling, Matthias